Физики предсказали новую форму квантовой материи: необычные капли способны удерживать сами себя

Материя в квантовом мире способна принимать формы, практически не имеющие аналогов в повседневной жизни. Физики из Университета Монаша предсказали существование нового состояния, в котором два принципиально разных типа частиц могут объединяться в устойчивые самосвязанные квантовые капли. Для сохранения формы им не требуется обычный сосуд: целостность поддерживается балансом взаимодействий внутри самой системы.

Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Его авторы изучили смеси бозонов и фермионов — двух фундаментальных классов частиц, подчиняющихся разным правилам квантовой механики. Именно сочетание их свойств приводит к необычному эффекту, который долгое время считался маловероятным для систем с сильным взаимодействием.

Бозоны способны находиться в одном и том же квантовом состоянии в большом количестве. Это свойство лежит, например, в основе конденсата Бозе — Эйнштейна, в котором охлажденные почти до абсолютного нуля атомы начинают демонстрировать коллективное квантовое поведение.

Фермионы ведут себя иначе. Принцип запрета Паули не позволяет двум идентичным фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. Поэтому при попытке сильно сжать фермионную систему возникает своеобразное квантовое давление. В новой теоретической модели именно оно становится одним из механизмов, не позволяющих капле разрушиться.

Если между частицами действует достаточно сильное притяжение, можно ожидать, что система просто сожмется и потеряет устойчивость. Расчеты исследователей показывают более интересный сценарий: притяжение бозонов и фермионов может точно уравновешиваться фермионным давлением. В результате возникает самосвязанное состояние с конечной плотностью.

Такую структуру называют квантовой каплей, однако сравнение с каплей воды весьма условно. Обычная жидкость сохраняется благодаря электромагнитным взаимодействиям молекул и поверхностному натяжению. Здесь устойчивость появляется в результате коллективного поведения квантовых частиц и конкуренции нескольких эффектов.

Особенность новой работы заключается в возможности описывать сильно взаимодействующие бозе-фермиевские смеси. Предыдущие теоретические модели лучше работали в режимах сравнительно слабого взаимодействия. Новый подход позволил исследователям перейти в область, где притяжение частиц становится намного сильнее и появляются качественно новые состояния материи.

Расчеты показали не только возможность существования капель. В системе обнаружилось поведение, напоминающее фазовый переход между жидкостью и газом. Это означает, что в зависимости от параметров одна и та же квантовая смесь может существовать в различных состояниях, переходя между более плотной самосвязанной фазой и разреженным состоянием.

Для физиков подобные фазовые диаграммы особенно важны. Они показывают, как изменение температуры, плотности или силы взаимодействия способно полностью перестроить коллективное поведение огромного числа частиц. В привычном мире аналогом служат превращения воды в лед или пар, но на квантовом уровне причины и свойства переходов могут быть значительно необычнее.

Предсказание имеет и важное практическое преимущество: для его проверки не требуется фантастическая технология будущего. По оценке авторов, необходимые условия можно создать с помощью существующих экспериментальных установок с ультрахолодными атомами.

В таких лабораториях атомные облака охлаждают до температур, находящихся чрезвычайно близко к абсолютному нулю. Тепловое движение практически исчезает, и квантовые свойства частиц начинают определять поведение всей системы. С помощью магнитных полей исследователи также могут изменять силу взаимодействия между атомами, фактически настраивая свойства искусственной квантовой материи.

Следующим шагом поэтому должно стать экспериментальное получение предсказанных капель. Если они действительно возникнут в лаборатории и будут обладать рассчитанными характеристиками, физики получат новую платформу для проверки теорий сильного взаимодействия между различными квантовыми частицами.

Подобные исследования относятся прежде всего к фундаментальной физике, поэтому ожидать появления устройства на основе квантовых капель в ближайшее время не стоит. Однако способность создавать, удерживать и контролировать необычные состояния материи постепенно расширяет набор инструментов, доступных квантовой инженерии.

Ультрахолодные атомы уже используются для моделирования сложных физических систем, создания высокоточных измерительных приборов и исследования эффектов, важных для квантовых технологий. Новое состояние может добавить к этому набору еще одну управляемую среду, в которой ученые смогут изучать коллективное квантовое поведение в экстремальном режиме.

Главная интрига открытия заключается в неожиданной устойчивости. Два типа частиц с совершенно разными квантовыми свойствами не разрушают систему, а помогают ей существовать. Притяжение стремится собрать материю вместе, фермионное давление сопротивляется чрезмерному сжатию, а возникающее равновесие создает самостоятельную квантовую структуру.